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        鄂爾多斯西緣地區(qū)地震動(dòng)高頻衰減特性初步研究1

        2021-04-14 07:59:16包金哲王樹波
        震災(zāi)防御技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)度強(qiáng)震波速

        包金哲 王樹波 張 帆

        (內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010)

        引言

        地震動(dòng)高頻衰減在工程地震領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,常被用于震源、地震動(dòng)模擬和衰減關(guān)系研究等工作中。kappa 值是描述地震動(dòng)高頻衰減參數(shù)之一,多位學(xué)者對其進(jìn)行了研究,如Sun 等(2013)選用汶川地震52 個(gè)主震加速度數(shù)據(jù),得到kappa 值變化范圍,認(rèn)為kappa 值與震源和傳播路徑有關(guān)。Anderson 等(1984,1986,1991)發(fā)現(xiàn)在美國加州地區(qū)強(qiáng)震數(shù)據(jù)中,kappa 值與震中距表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。李文倩(2014)基于華北地區(qū)近2 000 條數(shù)據(jù),利用Anderson 等(1984)的方法得到kappa 值,認(rèn)為kappa 值與震級(jí)和震源深度無關(guān),但離散性較大;朱百慧(2016)采用Anderson 等(1984)經(jīng)典計(jì)算方法、固定應(yīng)力降計(jì)算方法及寬帶反演計(jì)算方法,以日本東北地區(qū)為研究區(qū)域,利用K-NET 和KiK-net 強(qiáng)震記錄,對kappa 值與傳播途徑、震級(jí)及局部場地特征的關(guān)系進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)kappa 值與震中距具有一定線性關(guān)系,隨著震中距的增大kappa 值呈增長趨勢,kappa 值與震級(jí)的線性關(guān)系不明顯,隨著VS30的增大kappa 值呈對數(shù)下降趨勢。

        鄂爾多斯塊體是古克拉通塊體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,但其外部地震頻發(fā),尤其是鄂爾多斯塊體西緣地區(qū),該區(qū)域?qū)儆趤喼迻|部“大三角”地震構(gòu)造區(qū)東邊緣(高祥林等,2010),“大三角”地震構(gòu)造沿華南、鄂爾多斯西邊緣向北延伸至貝加爾湖附近,曾被稱為中蒙大陸中軸構(gòu)造帶,研究該區(qū)域具有深遠(yuǎn)意義。鄂爾多斯西緣地區(qū)由內(nèi)蒙古強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)、寧夏強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)屬地監(jiān)控,該區(qū)域共有14 個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站,臺(tái)站積累了真實(shí)可靠的地震數(shù)據(jù),為研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

        本文以鄂爾多斯西緣地區(qū)(34°N?42°N,103°E?109°E)14 個(gè)固定強(qiáng)震臺(tái)站(包括8 個(gè)內(nèi)蒙古強(qiáng)震臺(tái)站和6 個(gè)寧夏強(qiáng)震臺(tái)站)2007?2020 年116 條強(qiáng)震記錄(1≤MS≤8)為研究對象,利用Anderson 等(1984)提出的經(jīng)典算法,通過MATLAB 軟件計(jì)算kappa0 值,討論kappa 值與震中距、kappa0 值與VS20、VS30的關(guān)系。

        1 研究區(qū)域臺(tái)站分布與地質(zhì)構(gòu)造特征

        鄂爾多斯西緣地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,北部臨河斷陷盆地西南方向與潮水?吉蘭泰斷陷盆地相連。南部有銀川地塹、干鹽池盆地,東部鄂爾多斯盆地是古老的克拉通地塊,地塊相對穩(wěn)定。西北部地區(qū)為阿拉善塊體,近年中小震頻發(fā)。區(qū)域內(nèi)有河套平原和寧夏平原,均為第四紀(jì)泥沙沉積覆蓋的沖擊平原。

        臨河斷陷盆地自早第三紀(jì)晚期開始發(fā)育,新生界沉積厚度最大達(dá)10 000 m 以上,第四紀(jì)以來斷陷活動(dòng)依然保持了第三紀(jì)晚期的活動(dòng)特征,周邊山地繼續(xù)抬升,斷陷繼承性沉降,第四紀(jì)厚度2 400 m。吉蘭泰盆地最初發(fā)育于早白堊紀(jì),但晚白堊紀(jì)-早第三紀(jì)古新世時(shí)期抬生為陸地,始新世又重新開始發(fā)育,直到現(xiàn)在。該斷陷盆地內(nèi)新生界厚度約2 000 m,其中第四紀(jì)最大厚度約400 m,沉降中心靠近巴彥烏拉山東麓斷裂。銀川地塹是由喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期構(gòu)造活躍的賀蘭山褶皺帶與鄂爾多斯盆地相對上升形成的,其為本區(qū)域最大的拉張型活動(dòng)盆地,北起石嘴山,南至青銅峽,長160 km,最寬55 km,地塹形成于漸新世,其后持續(xù)下陷,沉積了巨厚的新生代地層,總厚度達(dá)7 000 m,其中古近紀(jì)最大厚度3 600 m,新近系最大厚度2 500 m,第四紀(jì)最大厚度>1 609 m。干鹽池盆地為青藏高原東北邊界海原斷裂帶內(nèi)最大的拉分盆地,沉積物粒度呈向上逐漸變細(xì)的趨勢,湖泊沉積為主,干鹽池盆地主要受南?西華山與唐家坡?干鹽池?cái)鄬拥目刂?,最深處可?550 m。第四紀(jì)以來,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以大面積的周期節(jié)奏性震蕩上升為主,在西吉縣形成了剝蝕構(gòu)造山地、構(gòu)造剝蝕紅巖丘陵,剝蝕堆積黃土丘陵,侵蝕堆積河谷平原。西吉縣大面積被第四紀(jì)覆蓋。河套平原是沖擊平原,河套地區(qū)北部、南部斷層證明該區(qū)域存在斷層下陷,黃河流經(jīng)低洼地區(qū)帶來泥沙淤積,形成河套平原。寧夏平原也是沖擊平原,由于賀蘭山與鄂爾多斯高原的抬升,寧夏平原斷裂下陷形成地塹帶,后由于黃河攜帶大量泥沙堆積形成寧夏平原,可知寧夏平原是由地殼運(yùn)動(dòng)、斷裂下陷、河流流水搬運(yùn)堆積而成。

        2 計(jì)算分析

        2.1 數(shù)據(jù)選取

        研究數(shù)據(jù)來自于內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局和寧夏自治區(qū)地震局提供的地震記錄數(shù)據(jù)、鉆孔資料、剪切波速測試資料、地質(zhì)條件資料等,研究區(qū)域地震臺(tái)站信息如表1 所示,臺(tái)站分布及地質(zhì)構(gòu)造如圖1 所示。

        圖1 臺(tái)站分布及地質(zhì)構(gòu)造Fig. 1 The distribution of seismograph station and geologic structure

        表1 研究區(qū)域地震臺(tái)站信息Table 1 The research area seismic station information

        2.2 計(jì)算方法

        加速度反應(yīng)譜法由Anderson 等(1984)提出,是目前工程地震學(xué)領(lǐng)域中使用最廣泛的方法,本文采用該方法計(jì)算kappa 值,開展區(qū)域高頻衰減特性研究。頻率高于特定頻率fE的單對數(shù)坐標(biāo)系加速度傅立葉譜幅值衰減規(guī)律可表示為:

        式中,A0為依賴于震源特征和傳播距離的因子,k為譜衰減參數(shù),f為地震動(dòng)頻率,fE為譜幅值對數(shù)值近似直線下降的起始點(diǎn)。

        一般來說,當(dāng)頻率達(dá)fE后,譜幅值隨著頻率的增加呈指數(shù)下降。在線性-對數(shù)坐標(biāo)系(即單對數(shù)坐標(biāo)系)下,高頻衰減參數(shù)k可用最簡單的線性關(guān)系式近似得到:

        kappa 值計(jì)算截止點(diǎn)為傅立葉譜與噪聲譜重合的點(diǎn)或幅值平行起始點(diǎn),利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得到的斜率即為kappa 值(圖2)。

        圖2 Anderson 等(1984)經(jīng)典計(jì)算方法計(jì)算的kappa 值Fig. 2 Anderson&Hough's the classical method calculates k

        為計(jì)算和確定kappa 值與震中距R的關(guān)系,利用最小二乘法得到線性回歸方程:

        式中,R(s)為震中距,K0和KR為常數(shù)量,K0為由臺(tái)站附近近地表地下地質(zhì)構(gòu)造引起的高頻衰減參數(shù)值,KR為與區(qū)域相關(guān)的衰減參數(shù)值(Anderson 等,1984)kappa(N-S)和kappa(E-W)分別為kappa 南北向和東西向分量, Kˉ0表示強(qiáng)震臺(tái)南北向、東西向kappa0均值。

        2.3 數(shù)據(jù)處理

        利用MATLAB 語言編輯計(jì)算處理全部程序,包括kappa 值、kappa 值與震中距關(guān)系、kappa0 值、kappa0 值與VS20、VS30關(guān)系計(jì)算程序。

        (1)通過編程實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)震觀測記錄數(shù)據(jù)的處理,包括基線調(diào)整、采用0.1~20 Hz 的帶通濾波(白立新等,2019)、數(shù)據(jù)初篩及人工復(fù)篩等工作(崔建文等,2007;萬永革,2012)。

        (2)分析單個(gè)臺(tái)站多次地震事件,利用計(jì)算機(jī)程序獲得每次地震每個(gè)分量的kappa 值,進(jìn)而利用每個(gè)分量的kappa 值結(jié)合震中距,采用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到kappa 值與震中距的線性回歸方程(陶正如等,2015)。

        2.3.1 kappa 值與震中距的關(guān)系

        kappa 值與震中距的關(guān)系計(jì)算結(jié)果如表2、圖3 所示,由表2、圖3 可知,kappa 值與震中距存在線性回歸關(guān)系;kappa 值在鄂爾多斯西緣大部分地區(qū)擬合優(yōu)度值相對較高,為0.6~0.9,而西吉臺(tái)站地區(qū)南北向、東西向擬合優(yōu)度值分別為0.47、0.49,可能是由于臺(tái)站記錄地震數(shù)據(jù)較少、儀器噪聲過高等原因?qū)е耴appa值相對離散,擬合優(yōu)度較低。

        圖3 鄂爾多斯西緣地區(qū)14 個(gè)臺(tái)站kappa 值與震中距擬合關(guān)系Fig. 3 The fitting relationship between kappa and epicentral distance of 14 stations in the western margin of Erdos region

        表2 kappa 值與震中距擬合結(jié)果Table 2 The relationship between kappa and epicentral distance

        2.3.2 計(jì)算結(jié)果不確定性分析

        通過大量計(jì)算得到研究區(qū)域116 條地震記錄地震動(dòng)峰值加速度PGA 及震中距,震級(jí)與震中距關(guān)系分布如圖4 所示,震級(jí)與峰值加速度PGA 關(guān)系分布如圖5 所示。由圖4、5 可知,震級(jí)為Ms2.0~Ms8.0,震中距為0~1 200 km,峰值加速度PGA 為0~180 cm/s2,多數(shù)集中在0~60 cm/s2。

        圖4 震級(jí)與震中距關(guān)系分布圖Fig. 4 Distribution of earthquake magnitude and epicenter distance

        圖5 震級(jí)與峰值加速度PGA 關(guān)系分布圖Fig. 5 Distribution of earthquake magnitude and PGA(peak acceleration value)

        由于研究區(qū)域地震較少,覆蓋層較厚,臺(tái)站有效記錄地震數(shù)據(jù)不足,且kappa 值與震中距擬合關(guān)系受遠(yuǎn)震(汶川地震等)影響,故擬合結(jié)果存在一定不確定性。針對此問題,剔除了震中距500 km 以上的地震。部分臺(tái)站擬合結(jié)果偏差較大,以巴彥木仁、磴口臺(tái)站為例進(jìn)行分析,結(jié)果如表3、圖6 所示。由表3、圖6可知,剔除汶川地震等遠(yuǎn)震后,擬合優(yōu)度值明顯下降,巴彥木仁臺(tái)南北向擬合優(yōu)度值由0.869 11 降至0.618 6,東西向擬合優(yōu)度值由0.928 0 降至0.708 1;磴口臺(tái)南北向擬合優(yōu)度值由0.897 1 降至0.244 7,東西向擬合優(yōu)度值由0.942 5 降至0.606 4。綜上所述,kappa 值與震中距線性擬合受遠(yuǎn)震的影響較大,因此計(jì)算kappa 值時(shí)應(yīng)盡量考慮震中距為500 km 以內(nèi)的地震數(shù)據(jù)。

        圖6 巴彥木仁、磴口臺(tái)站kappa 值與震中距擬合關(guān)系Fig. 6 Fitting relationship between kappa and epicenter distance at Banyanmuren and Dengkou station

        表3 巴彥木仁、磴口臺(tái)站kappa 值與震中距擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of kappa value and epicenter distance at Bayanmuren and Dengkou station

        2.3.3 kappa0 值與剪切波速關(guān)系

        研究區(qū)域有14 個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站,內(nèi)蒙古強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)8 個(gè)臺(tái)站分別為:巴彥木仁臺(tái)、巴彥浩特臺(tái)、磴口臺(tái)、公地臺(tái)、吉蘭泰臺(tái)、臨河臺(tái)、沙海臺(tái)、烏海臺(tái),寧夏強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)6 個(gè)臺(tái)站分別為:寶豐臺(tái)、干鹽池臺(tái)、靈武臺(tái)、前進(jìn)農(nóng)場臺(tái)、青銅峽臺(tái)、西吉臺(tái)。計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)14 個(gè)臺(tái)站的kappa0 值,結(jié)合合站提供的鉆孔資料,得到剪切波速VS20、VS30值,進(jìn)而得出臺(tái)站kappa0 值與剪切波速VS20擬合關(guān)系式為:

        kappa0 值與剪切波速VS30擬合關(guān)系式為:

        kappa0 值與剪切波速VS20、VS30擬合關(guān)系曲線如圖7 所示。由式(6)、式(7)、圖7 可知,kappa0 值與剪切波速VS20、VS30存在對數(shù)關(guān)系,擬合優(yōu)度值約為0.4,擬合效果不理想,結(jié)合朱百慧(2016)的研究成果,筆者認(rèn)為kappa0 值隨著VS20、VS30的增大逐漸減至0(Ktenidou 等,2013)。

        圖7 kappa0 值與剪切波速VS20、VS30 擬合關(guān)系曲線Fig. 7 The fitting relationship between kappa0 and shear-wave(VS20、VS30)velocity

        3 結(jié)論

        本文利用Anderson 等(1984)提出的經(jīng)典方法,通過計(jì)算得出以下結(jié)論:

        (1)鄂爾多斯塊體西緣地區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站kappa 值與震中距呈線性相關(guān),且擬合優(yōu)度值較高;

        (2)kappa0 值為0.015 45~0.065 60 s;

        (3)kappa0 值與VS20、VS30呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系,離散性較大,擬合優(yōu)度值約為0.4;

        (4)隨著VS20、VS30的增大,kappa0 值逐漸減至0。(5)本研究采用的地震數(shù)據(jù)較少,分析得到的kappa 值與震中距線性擬合受遠(yuǎn)震的影響較大,因此計(jì)算kappa 值時(shí)應(yīng)盡量考慮震中距500 km 以內(nèi)的地震數(shù)據(jù)。

        致謝 本文在撰寫過程中得到中國地震局工程力學(xué)研究所研究員陶正如、新疆地震局工程師李文倩、廣東地震局高級(jí)工程師吳華燈、云南地震局研究員崔建文、防災(zāi)學(xué)院教授萬永革、寧夏地震局高級(jí)工程師呂俊強(qiáng)及工程師李鴻廷的悉心幫助,在此向他們表示衷心感謝,同時(shí)感謝評(píng)審專家提出的寶貴意見。

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